2020版高考一轮复习化学通用版学案：第四章第11课时　题型研究——以气体制备为主体的综合实验

第11课时　题型研究——以气体制备为主体的综合实验

考点一　常见气体的制备、净化和收集

1．气体的制备装置

依据制备气体所需的反应物状态和反应条件，可将制备气体的发生装置分为三类：

(1)固体＋固体气体

(2)固体＋液体(或液体＋液体)气体

(3)固体＋液体(不加热)―→气体

2．气体的除杂方法

(1)除杂试剂选择的依据

主体气体和杂质气体性质上的差异，如溶解性、酸碱性、氧化性、还原性。

(2)除杂原则

①不损失主体气体；②不引入新的杂质气体；③在密闭装置内进行；④先除易除的杂质气体。

(3)气体干燥、净化装置

当CO2中混有O2杂质时，应选用上述Ⅰ～Ⅳ中的Ⅳ装置除O2，除杂试剂是Cu粉。

3．气体的收集方法

4．尾气处理的原因、方法及装置

(1)原因：有些气体有毒或有可燃性，任其逸散到空气中，会污染空气或者引发火灾、爆炸等灾害。

(2)处理方法：一般根据气体的相关性质，使其转化为非气态物质或无毒物质，如酸性有毒气体用碱溶液吸收，可燃性气体用点燃等措施。

(3)尾气处理装置(见图a、b、c)

①实验室制取Cl2时，尾气的处理可采用b装置。

②制取CO时，尾气处理可采用a、c装置。

③制取H2时，尾气处理可采用a、c装置。

[典例]　实验室常用的几种气体发生装置如图A、B、C所示：

(1)实验室可以用B或C装置制取氧气：

①如果用B装置，通常使用的试剂是____________________________________；

②如果用C装置，通常使用的试剂是_____________________________________；

③检查B装置气密性的操作方法是_____________________________________

________________________________________________________________________。

(2)气体的性质是气体收集方法选择的主要依据。下列性质与收集方法无关的是________(填字母，下同)。

a．密度　　　　　　　　 b．颜色

c．溶解性  d．热稳定性

e．与氧气反应

(3)若用A装置与D装置相连制取并收集X气体，则X可能是下列气体中的________。

a．CO2　　　　　 b．H2　　　　　　c．Cl2

①写出A装置中发生反应的离子方程式： __________________________________

________________________________________________________________________。

②D装置中烧杯中应盛放________，目的是____________________________________。

③若要收集干燥纯净的X气体，上述装置应如何改进：

________________________________________________________________________。

[解析]　(1)①如果用B装置，实验室制取氧气常用高锰酸钾或氯酸钾与二氧化锰在加热条件下分解制备氧气；②如果用C装置，反应不需要加热，则可以用过氧化氢溶液在二氧化锰作催化剂条件下分解制备氧气；③检查B装置气密性是否良好的操作方法是连接一段导气管并将其插入水中，用酒精灯微热(或用手捂住)试管，如果导管口有气泡产生，松开手或停止加热，冷却后，在导管里回升一段水柱，且保持一段时间不下降则说明B装置气密性良好。(2)收集气体的方法的选择可依据气体的密度、溶解性、和是否与氧气反应，如气体与氧气反应则只能用排水法收集，气体是否有颜色、气体热稳定性与收集方法无关。(3)A与D连接是利用向上排气法收集气体；吸收装置是用液体吸收气体防止污染空气；制取CO2时不需要加热也不必处理尾气，H2不能用向上排空气法收集，且尾气处理时一般采用点燃的方法，故X可能是Cl2。①A装置中二氧化锰和浓盐酸加热反应生成氯气、氯化锰和水。②D装置中连接烧杯的目的是用来吸收尾气，防止污染空气，实验室一般用NaOH溶液吸收多余的Cl2。③生成的氯气中含氯化氢气体和水蒸气，通过饱和食盐水除去HCl，通过浓硫酸除去水蒸气，若要收集干燥纯净的X气体，装置应在盛有浓硫酸的洗气瓶前加一个装有饱和NaCl溶液的洗气瓶。

[答案]　 (1)①氯酸钾(或高锰酸钾)和二氧化锰　②过氧化氢溶液和二氧化锰　③连接一段导气管并将其插入水中，用酒精灯微热(或用手捂住)试管，如果导管口有气泡产生，松开手或停止加热，冷却后，在导管里回升一段水柱，且保持一段时间不下降则说明B装置气密性良好

 (2)bd　(3)c

①MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O

②NaOH溶液　吸收尾气Cl2，防止污染空气

③在盛有浓硫酸的洗气瓶前加一个装有饱和NaCl溶液的洗气瓶

[易错警示]　有气体参与的实验中的注意事项

(1)操作顺序问题

与气体有关的实验操作顺序：

⇨⇨⇨⇨⇨

(2)加热操作要求

①使用可燃性气体(如H2、CO、CH4等)，先用原料气赶走系统内的空气，再点燃酒精灯加热，以防止爆炸。

②制备一些易与空气中的成分发生反应的物质(如H2还原CuO的实验)，反应结束时，应先熄灭酒精灯，继续通原料气至试管冷却。

(3)尾气处理方法

有毒气体常采用溶液(或固体)吸收或将之点燃的方法，不能直接排放。

(4)特殊实验装置

①制备在空气中易吸水、潮解以及水解的物质(如Al2S3、AlCl3等)，往往在装置的末端再接一个干燥装置，以防止空气中水蒸气的进入。

②用液体吸收气体，若气体溶解度较大，要加防倒吸装置。

③若制备物易被空气中氧气氧化，应加排空气装置。

[综合训练]

1．实验室中某些气体的制取、收集及尾气处理装置如图所示(省略了净化装置)。仅用此装置和表中提供的物质完成相关实验，最合理的选项是(　　)

解析：选B　NH3的密度比空气密度小，应该采用向下排空气法收集，装置c中的导管应改为短进长出，故A错误；浓硫酸可以与Na2SO3反应生成SO2，SO2气体的密度比空气大，能使用向上排空气法，SO2气体能与NaOH溶液迅速反应，所以吸收装置中要防倒吸，图示收集装置和尾气吸收装置都合理，故B正确；铜与浓硝酸反应生成产物为NO2，NO2与水反应生成HNO3的同时，还有NO有毒气体，不能用水进行NO2的尾气吸收，故C错误；用MnO2和浓盐酸制取Cl2时需要加热，故D错误。

2.用如图所示装置进行实验(夹持仪器省略)。将液体A逐滴加入到固体B中，回答下列问题：

(1)图中D装置在实验中的作用是______________________

________________________。

(2)若A为30%H2O2溶液，B为MnO2，C盛有氢硫酸(H2S)饱和溶液，旋开E后，C中的现象为______________，C中发生反应的化学方程式为___________________________

________________________________________________________________________。

(3)若A为浓盐酸，B为KMnO4，C中盛有KI­淀粉溶液，旋开E后，C中的现象是________________________________________________________________________；

继续通气体于C中，足够长的时间后，发现C中溶液的颜色消失，这是因为在溶液中I2能被Cl2氧化为HIO3，写出该反应的化学方程式： __________________________________。

(4)若A为浓氨水，B为生石灰，C中盛有AlCl3溶液，旋开E，足够长的时间后，C中的现象是____________________________________________________________________，

C中发生反应的离子方程式为___________________________________________。

解析：(1)如果B中生成的气体极易溶于C中液体，则D可起到防止倒吸作用。(2)O2和H2S发生氧化还原反应可生成S单质。(3)Cl2能置换出碘化钾中的碘，I2能被Cl2氧化为HIO3，Cl2被还原为HCl，根据得失电子守恒、原子守恒配平化学方程式。(4)NH3溶于水生成NH3·H2O，与AlCl3反应生成Al(OH)3沉淀。

答案：(1)防倒吸

(2)产生淡黄色沉淀　2H2S＋O2===2S↓＋2H2O

(3)溶液由无色变成蓝色　6H2O＋I2＋5Cl2===2HIO3＋10HCl

(4)有白色沉淀生成　Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH

考点二　气体制备装置的创新连接

1．气体制备装置的创新

(1)试管形状的创新

改进的目的：用于加热易熔化的固体物质的分解，这样可有效地防止固体熔化时造成液体的倒流，如草酸晶体受热分解制取CO2气体。

(2)“固(液)＋液气体”装置的创新

图A的改进优点是能控制反应液的温度。

图B的改进优点是使蒸馏烧瓶和分液漏斗中的气体压强相等，便于液体顺利流下。

(3)“固体＋液体―→气体”装置的创新

2．集气装置的创新——排液集气装置

装置Ⅰ从a管进气b管出水可收集难溶于水的气体，如H2、O2等。若将广口瓶中的液体更换，还可以收集以下气体。

装置Ⅱ储气式集气。气体从橡胶管进入，可将水由A瓶排入B瓶，在瓶A中收集到气体。

3．常见气体制备装置的连接

(1)Cl2的实验室制备系统

(2)SO2的实验室制备系统

(3)NH3的实验室制备系统

[考法精析]

考法一　气体制备装置的创新

[典例1]　利用如图所示装置模拟工业NaClO3与Na2SO3在浓H2SO4存在下制备ClO2，并以ClO2为原料制备NaClO2(已知：高于60 ℃时，NaClO2分解生成NaClO3和NaCl)。

下列说法不正确的是(　　)

A．逐滴加入浓硫酸可提高ClO2的利用率

B．装置④中所得产物中可能含有Na2SO4杂质

C．从装置④反应后的溶液中获得晶体，可采用常压蒸发结晶

D．制备NaClO2结束时，应关闭分液漏斗活塞，打开K1，关闭K2

[解析]　逐滴加入浓硫酸可以控制生成ClO2的速率，使ClO2与NaOH、H2O2溶液充分反应，提高ClO2的利用率，故A正确；装置②中能生成少量的SO2，SO2与NaOH、H2O2溶液反应生成Na2SO4，故B正确；高于60 ℃时，NaClO2分解生成NaClO3和NaCl，若采用常压蒸发结晶，NaClO2易发生分解反应，故C错误；制备NaClO2结束时，应关闭分液漏斗活塞，打开K1，关闭K2，用①中NaOH溶液吸收尾气，故D正确。

[答案]　C

[归纳总结]　球形干燥管多种应用

(1)干燥管可作干燥、吸收及检验装置

①干燥管内盛无水硫酸铜时，可用于检验水蒸气。

②干燥管内盛碱石灰可吸收HCl、Cl2、SO2等有毒气体。

③可用于定量测定气体的质量，定量测定时，有时需要考虑空气中的成分对测定的影响，所以吸收气体的装置后还要另接一个干燥管，目的是防止空气中的水蒸气、二氧化碳等对定量测定产生干扰。

(2)球形干燥管用途的创新

考法二　与气体制备有关的装置连接

[典例2]　根据实验目的设计如下装置的连接中，正确的是(　　)

A．制备收集C2H4：连接a→c→g

B．制备收集NO：连接b→c→e→d

C．制备收集NH3：连接b→d→e→c

D．制备收集Cl2：连接a→f→c→e→d

[解析]　制备C2H4没有控制温度的温度计，A错误；NO与O2反应，不能用排空气法收集，B错误；浓硫酸吸收多余的NH3，易产生倒吸，C错误；饱和食盐水除去HCl气体，浓硫酸吸收水蒸气，碱石灰吸收多余的Cl2，D正确。

[答案]　D

[备考方略]　按气体流向连接装置的基本思路

[综合训练]

1．下列实验方案最合理的是(　　)

解析：选B　A项，Cl2的密度比空气大，收集时应用向上排空气法；B项，浓氨水滴入CaO中，CaO与水反应放热，NH3·H2O受热分解并挥发出NH3，可以制取NH3；C项，NO2能与水反应，不能用排水法收集；D项，Na2O2为粉末状固体，不能用启普发生器的简易装置制取氧气。

2．二氧化氯(ClO2)是极易溶于水且不与水发生化学反应的黄绿色气体，沸点为11 ℃，可用于处理含硫废水。回答下列问题：

ClO2的制备：

已知：SO2＋2NaClO3＋H2SO4===2ClO2＋2NaHSO4。

(1)装置A中反应的化学方程式为_______________________________________

________________________________________________________________________。

(2)欲收集ClO2，选择图中的装置，其连接顺序为

a→________(按气流方向，用小写字母表示)。

(3)装置D的作用是____________________________________________________。

解析：(1)装置A中Cu与浓硫酸反应制备二氧化硫，化学方程式为Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O。(2)二氧化硫从a进入装置B中反应，为防止倒吸，故应在之前有安全瓶，则a→g→h，为反应充分，故再连接B装置中的b，二氧化氯沸点较低，故在D中冰水浴收集，为充分冷却，便于收集，故连接e，最后用NaOH溶液吸收未反应完的二氧化硫，防止污染空气，连接顺序为：a→g→h→b→c→e→f→d。(3)装置D的作用为冷凝并收集ClO2。

答案：(1)Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O

(2)g→h→b→c→e→f→d

(3)冷凝并收集ClO2

3．PCl3有毒，在潮湿的空气中可发生水解反应产生大量的白雾。它在实验室和工业上都有重要的应用。在实验室中制取PCl3，在D中放入足量白磷，将Cl2迅速而且不间断地通入D中，氯气与白磷会发生反应，产生火焰。

三氯化磷和五氯化磷的物理常数如下：

注：常温下五氯化磷不溶于三氯化磷。

(1)写出A中发生反应的化学方程式： _____________________________________

________________________________________________________________________。

(2)反应开始前需要检查装置气密性，检查方法为__________________________

________________________________________________________________________。

(3)氯气和白磷反应放出大量的热，为使仪器D不致因局部过热而炸裂，实验开始前应在D的底部放少量__________________________________________________________。

(4)在烧杯E中加入冰盐水，其作用是_______________________________________。

(5)白磷与氯气反应产物中可能含有一定量的PCl5，从中分离出三氯化磷的方法是________。经过一段时间反应发现B中竖直导管液面上升，可能的原因是_________________

______________________________________________________________________________。

(6)装置F的作用是_____________________________________________________。

解析：(1)A中制备氯气，发生反应的化学方程式为2KMnO4＋16HCl(浓)===2KCl＋2MnCl2＋5Cl2↑＋8H2O。(3)氯气和白磷反应放出大量的热，为使仪器D不致因局部过热而炸裂，实验开始前应在D的底部放少量干沙。(4)根据表中数据可知三氯化磷的熔、沸点较低，所以在烧杯E中加入冰盐水的作用是使三氯化磷蒸气充分冷凝。(5)由于常温下五氯化磷不溶于三氯化磷，且常温下五氯化磷是固体，所以从中分离出三氯化磷的方法是过滤。经过一段时间反应发现B中竖直导管液面上升，说明压强增大，因此可能的原因是产生的PCl5在导管中冷却成固体，堵塞导管。(6)由于氯气有毒，PCl3在潮湿的空气中可发生水解反应产生大量的白雾，所以装置F的作用是防止空气中水蒸气的进入，同时吸收过量的氯气。

答案：(1)2KMnO4＋16HCl(浓)===2KCl＋2MnCl2＋5Cl2↑＋8H2O

(2)关闭两个活塞，微热烧瓶，观察B中导管液面上升，则气密性良好

(3)干沙

(4)使三氯化磷蒸气充分冷凝

(5)过滤　产生的PCl5在导管中冷却成固体，堵塞导管

(6)防止空气中水蒸气的进入；吸收过量的氯气